基于组态软件的液位流量串级过程控制系统设计1.doc
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工业过程控制
课程设计
题目:
基于组态软件的液位—流量串级过程控制系统设计
指导教师评语：
签名：
年月日
II
工业过程控制课程设计任务书
主要内容
通过某种组态软件，结合实验室已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用双闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的液位—流量串级过程控制系统。
任务要求
1.根据液位-流量串级过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。
2.根据液位-流量串级过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。
3.根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。
4.运用组态软件，正确设计液位-流量串级过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。
5.提交包括上述内容的课程设计报告。
主要参
考资料
[1]组态王软件及其说明文件
[2]邵裕森．过程控制工程．北京：
机械工业出版社2000
[3]过程控制教材
[4]辅导资料
审查意见
系（教研室）主任签字：
年月日
目录
1设计目的与要求 1
1.1设计目的 1
1.2设计要求 1
2系统结构设计 1
2.1控制方案 1
2.2系统结构 2
3过程仪表的选择 2
3.1液位传感器 2
3.2电磁流量传感器、电磁流量转换器 2
3.3电动调节阀 3
3.4变频器 3
3.5水泵 4
3.6模拟量采集模块 4
3.7模拟量输出模块 4
3.8通信转换模块 4
3.9开关电源 4
4系统组态设计 4
4.1流程图与组态图 4
4.2组态画面 6
4.3数据字典 6
4.4应用程序 7
4.5动画连接 8
4.6PID控制算法 8
结论 10
参考文献 11
附录 12
1设计目的与要求
1.1设计目的
（1）加深对过程控制系统基本原理的理解和对过程仪表的实际应用能力。
（2）培养运用组态软件和计算机设计过程控制系统的实际能力。
1.2设计要求
（1）根据液位-流量串级过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。
（2）根据液位-流量串级过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。
（3）根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。
（4）运用组态软件，正确设计液位-流量串级过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。
2系统结构设计
2.1控制方案
在本系统中被控参量有两个，上水箱液位和管道流量，这两个参量具有相关联系，流量的大小可以影响上水箱液位，根据流量与液位的关系，故系统采用串级控制，内环为流量控制，外环为液位控制。
内环与外环的控制算法均采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好。
外环液位控制器的输出作为内环流量控制器的设定值，流量控制器的输出来控制调节阀的大小，来控制管道流量的大小，进而控制上水箱液位。
2.2系统结构
系统框图如图2.1所示。
图2.1计算机控制上水箱液位和流量串级系统控制框图
3过程仪表的选择
3.1液位传感器
液位传感器用来对上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。
可方便地与其它DDZ—X型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。
效验的方法时通电预热15分钟后，分别在零压力和满量程压力下检查输出电流。
在零压力下调整零电位器，使输出电流为4mA，在满量程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。
本传感器精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串24V直流电源。
液位传感器用来对上水箱和中位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4-20mA标准信号输出。
3.2电磁流量传感器、电磁流量转换器
流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。
根据本系统装置的特点，采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量0—0.3/h，压力1.6Mpmax，4-20mA标准信号输出。
可与显示，记录仪表，计算器或调节器配套。
避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点，确保实验效果能达到系统的要求。
主要优点：
（1）采用整体焊接结构，密封性能好；
（2）结构简单可靠，内部无活动部件，几乎无压力损坏；
（3）采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定；
（4）仪表反应灵敏，输出信号与流量成线性关系，量程比宽；
流量转换器采用LDZ-4型电磁流量转换器，与LDS-10S型电磁流量传感器配套使用，输入信号：
0—0.4mV输出信号:
4—20mADC，允许负载电阻为0—750欧姆，基本误差：
输出信号量程的
3.3电动调节阀
电动调节阀对控制回路流量进行调节。
采用德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。
控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高，操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。
有输入控制信号4-20mA及单相电源即可控制运转实现对压力流量温度液位等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄露量少的优点。
采用PS电子式直行程执行机构，4-20mA阀位反馈信号输出双导向单座住塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采用柔性弹簧连接，可预置阀门关端力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。
性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。
3.4变频器
三菱FR-S520变频器，4-20mA控制信号输入，可对流量或压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠，操作方便，寿命长，可外加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率。
可单相或三相供电，频率可高达200HZ。
3.5水泵
采用丹麦格兰富循环水泵。
噪音低，寿命长。
功率小，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。
3.6模拟量采集模块
模拟量采集模块选用的是A/D牛顿7017模块8路模拟电压（1—5V）
3.7模拟量输出模块
模拟量输出模块选用的是D/A牛顿7024模块4路模拟输出，电流（4—20mA）电压（1—5V）信号均可
3.8通信转换模块
通讯模块选用485/232转换牛顿7520模块，转换速度极高（300—115KHz），232口可长距离传输。
3.9开关电源
DC24V的开关电源，最大电流为2A，满足实验的要求。
4系统组态设计
4.1流程图与组态图
系统流程图如图4.1所示。
图4.1系统流程图
系统组态图如图4.2所示。
图4.2系统组态图
4.2组态画面
4.3数据字典
变量名
变量类型
连接设备
寄存器
液位1
I/O实型
A/D
AI0
流量
I/O实型
A/D
AI2
阀1
I/O离散
D/A
AI1
阀2
I/O离散
D/A
AI3
泵
内存实型
电磁阀
I/O实型
D/A
AI5
Kp
内存整型
Ti
内存整型
Td
内存整型
SP
内存整型
U
内存整型
PV
内存整型
Kp1
内存整型
Ti1
内存整型
Td1
内存整型
SP1
内存整型
U1
内存整型
PV1
内存整型
频率
I/O实型
D/A
AO2
4.4应用程序
if（流量{频率=频率+（Kp/20+1）*1;
流量=频率+电磁阀-55;
PV=流量;
U=频率+30;}
else
{频率=频率-（Kp/20+1）*1;
流量=频率+电磁阀-55;
PV=流量;
U=频率+30;}
if（液位1{电磁阀=电磁阀+（Kp/20+1）*1;
液位1=电磁阀+流量-30;
PV1=液位1;
U1=电磁阀+40;}
else
{电磁阀=电磁阀-（Kp/20+1）*1;
液位1=流量+电磁阀-30;
PV1=液位1;
U1=电磁阀+40;}
if（液位1>SP1-10）
{阀2=1;
液位3=液位1+流量-50;}
else
{阀2=0;
液位3=液位3-3;}
4.5动画连接
4.6PID控制算法
根据液位—流量串级控制系统的原理，运用组态王所提供的类似于C语言的程序编写语言实现PID控制算法。
本系统采用PID位置控制算式，其控制算式如下：
上述算式中，Kp为比例系数，Ti为积分时间，Td为微分时间，以u（k）作为计算机的当前输出值，以sp作为给定值，pv作为反馈值即AD设备的转换值e（k）
作为偏差。
PID控制算法流程图如图4.3所示。
取sp,pv形成偏差e（k）
取a0,e（k）做乘法
取a1,e（k-1）做乘法
取a2,e（k-2）做乘法
做a2e（k-2）减a1e（k-1）
做a2e（k-2）-a1e（k-1）+a0e（k）
做a2e（k-2）-a1e（k-1）+a0e（k）+u（k-1）
输出u（k）
数据传送：
u（k）→u（k-1）
数据传送：
e（k）→e（k-1）
e（k-1）→e（k-2）
图4.3PID控制算法流程图
结论
经过本次课程设计，我对工业过程控制系统的开发控制流程有了全面的了解，初步了解了PID控制规律在实际控制工程中的应用，很好的做到了理论与实践的结合，进一步加深了对PID控制算法理解，除此之外，还对在实际工程中应用极为广泛的组态王软件，这位我们以后的工作打下了良好的基础。
通过本次课程设计，让我了解了工业过程控制系统的组成和一般的设计步骤。
在工业过程控制系统设计过程中，首先要有系统的控制方案和系统结构，其中系统的控制方案在整个设计过程中非常重要，所以要仔细认真的设计，然后就是对各种传感器和各个模块的选择，最后就是对系统进行组态设计。
在这次设计中运用了组态王这个组态软件，借助这次课程设计让我对组态王有了一定的了解，而且让我对组态的相关知识有了一定的了解。
通过这次课程设计，让我对工业过程控制有了更深的理解，理解了以前很多没弄懂得东西。
参考文献
[1]熊新民.工业过程控制课程设计指导书，2008年
[2]陈夕松，汪木兰.过程控制系统.北京：
科学出版社，2005年
[3]邵裕森.过程控制工程.北京:
机械工业出版社，2000年
[4]姜重然．工控软件组态王简明教程[M]．哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，2007.
[11谢新民,具有专家系统的PID自适应调节器[J]．自动化与仪器仪表，1992（4）4-7.
附录
PID脚本程序
启动时：
\\本站点\Ts=20;
\\本站点\I=\\本站点\Ti/\\本站点\Ts;
\\本站点\D=\\本站点\Td/\\本站点\Ts;
\\本站点\ukp=0;
\\本站点\uk1=0;
\\本站点\ek1=0;
\\本站点\ek11=0;
\\本站点\ek12=0;
运行期间：
if（\\本站点\自动开关==1）
{\\本站点\Ts=15;
\\本站点\I=\\本站点\Ti/\\本站点\Ts;
\\本站点\D=\\本站点\Td/\\本站点\Ts;
\\本站点\a0=\\本站点\P*（1+1/\\本站点\I+\\本站点\D）;
\\本站点\a1=\\本站点\P*（1+2*\\本站点\D）;
\\本站点\a2=\\本站点\P*\\本站点\D;
\\本站点\ek1=\\本站点\sp-\\本站点\温度;
\\本站点\ukp=\\本站点\a0*\\本站点\ek1-\\本站点\a1*\\本站点\ek11+\\本站点\a2*\\本站点\ek12+\\本站点\uk11;
\\本站点\uk11=\\本站点\ukp;
\\本站点\ek12=\\本站点\ek11;
\\本站点\ek11=\\本站点\ek1;
if（\\本站点\ukp<1000）
{
if（\\本站点\ukp<0）
{\\本站点\uk1=0;
}
else{\\本站点\uk1=\\本站点\ukp;
}
}
else{\\本站点\uk1=1000;}
}
关闭时：
\\本站点\ukp=0;
\\本站点\uk1=0;
\\本站点\ek1=0;
\\本站点\ek11=0;
\\本站点\ek12=0;
13
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